1 概述：

 

定義：PoE全稱Power Over Ethernet，是指10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)供電，即數(shù)據(jù)線和電源線在同一根網(wǎng)線上傳輸，其可靠供電的距離最長為100米。

 

PoE供電系統(tǒng)包含兩種設(shè)備PSE和PD，PSE（power-sourcing equipment），主要是用來給其它設(shè)備進行供電的設(shè)備，PD（power device），在PoE供電系統(tǒng)中用來受電的設(shè)備。

 

2 POE主要供電特性

 

2.1 PSE特性參數(shù)：

 

（1）電壓在44~57V之間，典型值為48V

 

（2）允許最大電流為550mA，最大啟動電流為500mA

 

（3）典型工作電流為10~350mA，超載檢測電流為350~500mA

 

（4）在空載條件下，最大需要電流為5mA

 

2.2 PD功率等級

 

PD功率等級分為CLASS 0、CLASS 1、CLASS 2、CLASS 3、CLASS 4、CLASS 5

 

CLASS 0 設(shè)備需要的最高工作功率為0.44W ~12.95W

 

CLASS 1 設(shè)備需要的最高工作功率為0.44W ~3.84W

 

CLASS 2 設(shè)備需要的最高工作功率為3.84W ~6.49W

 

CLASS 3 設(shè)備需要的最高工作功率為6.49W ~12.95W

 

CLASS 4 設(shè)備需要的最高工作功率為12.95W ~25.5W

 

CLASS 5 設(shè)備需要的最高工作功率為>25W

 

設(shè)計師可以根據(jù)功率要求將他們的設(shè)備指定為特定的級別。

 

2.3 POE供電的工作過程

 

在分級階段，PSE將向PD施加15～20V的電壓，并通過測量電流大小來確定PD的特定級別。在此階段，PD的電源部分將被欠壓鎖定(UVLO)電路維持在無源狀態(tài)，以便隔離開關(guān)級，直至特征和分級階段完成。一旦分級完成后，PSE將會向PD提供全額工作電壓。

 

當在一個網(wǎng)絡(luò)中布置PSE供電端設(shè)備時，POE以太網(wǎng)供電工作過程如下所示：

 

檢測：

 

首先PSE會發(fā)送一個測試電壓給在網(wǎng)設(shè)備以探測受電設(shè)備中的一個24.9kΩ共模電阻。測試信號開始為2.5V，然后提升到10V，這將有助于補償Cat-5電纜自身阻抗帶來的損失。因為這種電纜最長可達100m。如果PSE檢測到來自PD的適當阻抗特征(24.9kΩ)，它便會繼續(xù)提升電壓。如果檢測不到特征阻抗，PSE將不會為電纜加電。受電設(shè)備電路中的齊納二極管會保證系統(tǒng)其余部分不受測試信號的干擾。

 

PD端設(shè)備分類：

 

當檢測到受電端設(shè)備PD之后，PSE將向PD施加15～20V的電壓，并通過測量電流大小來確定PD的特定級別。如果除了探測到第一級的電阻外沒發(fā)現(xiàn)其他分級電路，該設(shè)備被定義成零級別。在此階段，PD的電源部分將被欠壓鎖定(UVLO)電路維持在無源狀態(tài)，以便隔離開關(guān)級，直至特征和分級階段完成。

 

開始供電：

 

分級完成后，在一個可配置時間(一般小于15μs)的啟動期內(nèi)，PSE設(shè)備開始從低電壓向PD設(shè)備

 

a)供電，直至提供48V的直流電源。

 

b)供電：為PD設(shè)備提供穩(wěn)定可靠48V的直流電，滿足PD設(shè)備不越過12.95W的功率消耗。

 

c)斷電：若PD設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)上斷開時，PSE就會快速地(一般在300～400ms之內(nèi))停止為PD設(shè)備供電，并重復(fù)檢測過程以檢測線纜的終端是否連接PD設(shè)備。

 

3 POE電源模塊簡介

 

本次POE電源模塊采用MAX5969B和MAX5974A芯片來實現(xiàn)，功率等級為CLASS 4的POE電源。POE電源模塊的電路拓撲結(jié)構(gòu)采用反激式變換器實現(xiàn)，運用變壓器原邊反饋穩(wěn)壓以及副邊同步整流技術(shù)。輸入電壓范圍在36V~57V之間，輸出電壓穩(wěn)點在5V，具有過壓保護、過流保護等特點。如圖1所示為POE電源的原理圖。

 

 

3.1 POE電源模塊芯片

 

芯片MAX5969B為用電設(shè)備（PD）提供符合以太網(wǎng)供電（PoE）系統(tǒng)IEEE802.3af/at標準的完整接口。MAX5969B為PD提供檢測信號、分級信號以及帶有浪涌電流控制的集成隔離功率開關(guān)。發(fā)生浪涌期間，MAX5969B將電流限制在180mA以內(nèi)，直到隔離功率MOSFET完全開啟后切換到較高的限流值（720mA至880mA）。器件具有輸入UVLO，帶有較寬的滯回和長周期干擾脈沖屏蔽，以補償雙絞線電纜的阻性衰減，確保上電/掉電期間無干擾傳輸。MAX5969B輸入端能夠承受高達100V的電壓。

 

MAX5969B芯片特性如下：

 

（1）兼容于IEEE 802.3af/at

 

（2）2級事件分級

 

（3）簡易的墻上適配器接口

 

（4）0至5級POE分級

 

（5）100V絕對最大額定輸入

 

（6）180mA最大浪涌電流限制

 

（7）正常工作期間電流限制在720mA至880mA

 

（8）電流限制和折返式保護

 

（9）傳統(tǒng)的36V UVLO (MAX5969A)

 

（10）IEEE 802.3af/at兼容、40V UVLO (MAX5969B)

 

（11）過熱保護

 

（12）增強散熱的3mm × 3mm、10引腳TDFN封裝

 

如圖2所示為MAX5969B的引腳圖，接下來簡要介紹下每個引腳。

 

圖2 MAX5969B引腳圖

 

表1 MAX5969B引腳簡介

 

芯片MAX5969B工作過程的簡單介紹，MAX5969B有4種不同的工作模式：

 

PD檢測、PD分級、標記事件和PD供電模式。檢測模式是用來檢測設(shè)備是不是PD設(shè)備；分級模式是用來給PD設(shè)備確定輸入功率為多大；標記事件一般用于2級分級模式檢測；供電模式為正式給PD設(shè)備供電。

 

當輸入電壓在1.4V和10.1V之間時器件進入PD檢測模式；當輸入電壓在12.6V和20V之間時，器件進入PD分級模式；一旦輸入電壓超過VON，器件則進入PD供電模式。

 

檢測模式（1.4V≤ VIN ≤ 10.1V）:

 

檢測模式下，PSE向VIN施加1.4V至10.1V范圍(最小步長為1V)的兩個電壓，并記錄這兩點處的電流測量值。然后，PSE計算DV/DI以確保連接了24.9kΩ特征電阻。在VDD和DET之間連接特征電阻(RDET)，以確保正確的特征檢測。檢測模式下，MAX5969B將DET拉低。當輸入電壓超過12.5V時，DET變?yōu)楦咦钁B(tài)。檢測模式下，MAX5969B的大多數(shù)內(nèi)部電路都處于關(guān)斷狀態(tài)，偏置電流小于10μA。

 

分級模式(12.6V≤ VIN ≤ 20V) ：

 

分級模式下，PSE根據(jù)PD所需的功耗對PD進行分級，使PSE能夠有效管理功率分配。0至5級的定義可通過查看數(shù)據(jù)手冊知道(IEEE 802.3af/at標準僅定義了0至4級，5級用于特殊要求)。CLS與VSS之間連接一個外部電阻(RCLS)，用于設(shè)置分級電流。PSE通過向PD輸入施加電壓并測量PSE輸出的電流來確定PD的級別。當PSE施加的電壓在12.6V和20V之間時。PSE使用分級電流信息來對PD功率要求進行分級。分級電流包括RCLS吸收的電流和MAX5969B的電源電流。所以PD吸收的總電流在IEEE 802.3af/at標準的指標范圍之內(nèi)。當器件處于供電模式時，則關(guān)閉分級電流。

 

供電模式(喚醒模式)

 

當VIN上升到欠壓鎖定門限(VON)以上時，MAX5969B進入供電模式。當VIN上升到VON以上時，MAX5969B開啟內(nèi)部n溝道隔離MOSFET，將VSS連接至RTN，內(nèi)部浪涌電流限制設(shè)置為135mA (典型值)。當RTN處的電壓接近VSS并且浪涌電流降至浪涌門限以下時，隔離MOSFET完全開啟。一旦完全開啟隔離MOSFET，MAX5969B將電流限制更改為800mA。在功率MOSFET完全開啟之前，電源就緒開漏輸出(PG)保持為低電平，持續(xù)時間至少為，以在浪涌期間禁止后續(xù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

 

芯片還有一些其它的工作狀態(tài)，例如欠壓鎖定、熱關(guān)斷保護、墻上電源適配器檢測和工作等。

 

芯片MAX5974A為寬輸入電壓范圍、有源鉗位、電流模式PWM控制器，用于控制以太網(wǎng)供電(PoE)的用電設(shè)備(PD)中的正激轉(zhuǎn)換器。MAX5974A適用于通用或電信系統(tǒng)的輸入電壓范圍。芯片MAX5974A獨特的電路設(shè)計能夠在不需要光耦的前提下獲得穩(wěn)定的輸出。

 

MAX5974A有很多特性，以下簡要介紹幾個：

 

（1）峰值電流模式控制、有源鉗位、正激PWM控制器

 

（2）無需光耦即可獲得穩(wěn)壓輸出

 

（3）100kHz至600kHz可編程、±8%抖動控制的開關(guān)頻率，可同步至高達1.2MHz

 

（4）可編程頻率抖動，支持低EMI、擴頻工作

 

（5）可編程死區(qū)時間、PWM軟啟動、電流斜率補償

 

如圖3所示為芯片的引腳圖。

 

圖3 MAX5974引腳圖

 

表2 MAX5974A引腳簡介

 

 

3.2 輸入電路以及輸出電路簡介

 

輸入電壓取自于網(wǎng)絡(luò)端口的48V電源，輸入電壓經(jīng)過兩個整流橋D1、D2，其中D26是一個瞬態(tài)抑制二極管SMBJ54A用來保護輸入過壓。

 

輸出電壓通過反激變壓器的副邊整流后得到，由于整流后脈動電壓較大，所以會在整流后添加輸出濾波電容，輸出濾波電容一般會選擇幾個大電容再加一個小電容并聯(lián)，大電容起到儲能和濾波的作用，小電容用來高頻去耦，幾個電容并聯(lián)可以將輸出電阻降到最小。本模塊POE電源選擇3顆封裝為1206，容值大小為47uF的陶瓷電容。反激變壓器選擇SIR412DP開關(guān)管實現(xiàn)有源整流，利用變壓器副邊繞組來獲得驅(qū)動電壓，這樣變壓器原邊就不需要消磁電路或者吸收電路，而是把能量用來驅(qū)動SIR412DP開關(guān)管，實現(xiàn)同步整流技術(shù)。開關(guān)管的漏極和源極并聯(lián)RCD吸收電路，用來抑制開關(guān)管漏源端的電壓尖峰而達到保護開關(guān)管的目的。雖然說MOSFET的是一種壓控壓型的開關(guān)管，但是對于開關(guān)管開通和關(guān)閉都是給開關(guān)管的寄生電容充電來打開或關(guān)閉，這就需要一定的驅(qū)動電流。所以在驅(qū)動電路中串聯(lián)一個10歐姆的電阻。

 

3.3 芯片外圍電路簡介

 

芯片MAX5969B主要作用體現(xiàn)在剛剛上電的時候和PSE供電模塊用來通信的芯片，對于每一個POE電源來說，這種類似的芯片是必不可少的。市面上有些號稱是POE電源的往往只是把48V的電壓變成5V或者其它的電壓，在上電的時候并沒有檢測、分級的階段，這對于受電設(shè)備來說是危險的。檢測電源是POE電源還是非POE電源的一般方法是，拿萬用表測量供電腳，一般是網(wǎng)絡(luò)端口的4,5、7,8腳，如果端口輸出是穩(wěn)定的48V電壓，這說明電源是非POE電源；如果測量的電壓在2~10V跳動，則說明電源是POE電源，電壓跳動是在對PD端進行檢測。

 

芯片MAX5969B的VDD是電源引腳，VDD和VSS之間接有0.1uF的電容用來旁路，電容C7和C13用來儲能和濾波。

 

DET接一個24.9K的電阻到Vin，這個電阻是特征電阻不可更改，要是把這個電阻的阻值改變了，POE電源工作會不正常。

 

VSS引腳是接輸入整流過后的地端，VSS內(nèi)部通過MOSFET管和變壓器原邊的接地端相連。當芯片處于檢測與分級階段時候，內(nèi)部MOSFET處于斷開的狀態(tài)。

 

RTN引腳接變壓器原邊的地端，是后繼DC-DC的功率地端。

 

WAD引腳是用來接墻上適配器電源供電，本模塊的POE電源沒有用上墻上適配器，但是在電路設(shè)計的時候也考慮到了，只是沒有焊接相關(guān)器件。

 

PG引腳內(nèi)部是MOSFET漏極輸出，在芯片內(nèi)部的MOSFET完全開啟之前，PG保持為低電平，PG端接MAX5974A的使能端，故PG在保持低電平期間，MAX5974A是處于不工作狀態(tài)。PG外接1nF的電容旁路。

 

2EC引腳是2級事件檢測腳，本模塊沒有用上直接上拉100K電阻到RTN，以防PD設(shè)備處于2級狀態(tài)時，2EC引腳有一個回路。

 

CLS引腳是分級電阻輸入引腳，CLS引腳接多大電阻到VSS地端，就決定了POE電源是處于哪一級?？刹榭磾?shù)據(jù)手冊知當接30.9歐姆電阻時，PD設(shè)備設(shè)置為4級電路狀態(tài)，也就是說PD設(shè)備要消耗12.95-25.5W的功率。

 

芯片MAX5974A是一款電源管理芯片，芯片內(nèi)部集成了許多功能，只要根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊推薦的外圍電路搭建方法，只需簡單的配置些電容和電阻很快就可以設(shè)計出一塊電源模塊。接下來將介紹芯片每個引腳外圍電路的搭建，來更好的理解芯片以及反激式開關(guān)電源。

 

DT引腳是用來設(shè)置死區(qū)時間的，由于MAX5974A這款芯片提供了兩個柵極驅(qū)動器輸出，一個是NDRV主開關(guān)柵極驅(qū)動器輸出，是用來驅(qū)動變壓器原邊是處于斷開狀態(tài)還是出來接通狀態(tài)。一個是AUXDRV是用來給變壓器副邊開關(guān)管實現(xiàn)同步整流的驅(qū)動信號，由于變壓器原邊開關(guān)管和變壓器副邊開關(guān)管不能夠同時開啟，盡管NDRV和AUXDRV是互補輸出的，但是由于開關(guān)管本身的開通和關(guān)斷過程不理想，在開通和關(guān)斷的時候有一定的時間延遲，故此需要添加一定的死區(qū)時間。死區(qū)時間設(shè)置時間在40ns至400ns之間，死區(qū)時間的設(shè)置是通過外接一個電阻到RTN地端，具體多大的電阻設(shè)置多長的死區(qū)時間，可通過如下公式得到：

 

 

本模塊選擇=27KW，死區(qū)時間就為108ns，對于這個死區(qū)時間已經(jīng)足夠了，因為本次使用的MOSFET的延遲時間都在40ns以內(nèi)。

 

DITHER/SYNC引腳為頻率加抖編程或者同步連接引腳。在DITHER/SYNC和RTN地之間連接一個電容，在DITHER/SYNC和RT之間連接一個電阻，可以在范圍內(nèi)對轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率加抖，從而降低EMI。具體過程是DITHER/SYNC處的電流源以50uA電流將電容C14充電至2V。達到該點后，以50uA電流將C14放電至0.4V。電容充電和放電會在DITHER/SYNC上產(chǎn)生一個三角波，峰值分別為0.4V和2V，通常情況下，頻率為1KHZ。電容C14的計算公式為：

 

 

本模塊選擇C14=10nF,其中連接電阻公式如下：

 

 

其中，%DITHER為加抖量，表示為開關(guān)頻率的百分比。將RDITHER設(shè)置為10 RRT，產(chǎn)生±10%的抖動。本模塊中沒有焊接次電阻，但是也預(yù)留了位置，需要的時候可以焊上次電阻。

 

RT引腳是開關(guān)頻率編程電阻連接。將連接至RTN地，設(shè)置PWM開關(guān)頻率在100KHZ~600KHZ之間?？蓞⒖既缦鹿剑?/div>